[科普中國(guó)]-2000年前的人類就能計(jì)算月全食

2018年7月28日凌晨2時(shí)24分27秒（北京時(shí)間），今年的第二場(chǎng)月全食將會(huì)如期而至。

生活在現(xiàn)代社會(huì)，我們?cè)缫蚜?xí)慣精確到分秒的日月食預(yù)報(bào)。我們可以用激光測(cè)距精確地丈量地月之間的距離；可以用從光學(xué)到射電不同波段的觀測(cè)，精確地測(cè)量出太陽(yáng)系主要行星的位置與速度。在這些觀測(cè)的基礎(chǔ)上，我們有大型計(jì)算機(jī)，可以仔細(xì)計(jì)算各個(gè)行星之間的復(fù)雜攝動(dòng)、近乎嚴(yán)格的推算出它們的軌道，進(jìn)而以極小的誤差，確定出一定時(shí)期之內(nèi)太陽(yáng)系各個(gè)天體之間的掩食現(xiàn)象。

我們對(duì)此已經(jīng)習(xí)以為常。

可我們是什么時(shí)候開(kāi)始獲得用科學(xué)計(jì)算預(yù)報(bào)日月食這種“通天”的能力的呢？

三百年前？五百年前？

以天文學(xué)備受重視、高度發(fā)達(dá)著稱的古代中華文明，在預(yù)報(bào)月食這件事上的紀(jì)錄是1500年前：敦煌出土的文獻(xiàn)《北魏太平真君十一年歷日至十二年歷日》，記錄了公元451年的兩次月食。

但這并不是最早的。

今天我想給大家介紹的，是這樣一個(gè)極大顛覆認(rèn)知的考古發(fā)現(xiàn)：一個(gè)2000年前的月食計(jì)算器——或者說(shuō)，人類的第一臺(tái)模擬計(jì)算機(jī)。

Antikythera Mechanism. Credit: Marsyas

它的名字，叫做安提基瑟拉機(jī)構(gòu)（Antikythera Mechanism）。

安提基瑟拉島是希臘本土與克里特島之間的一個(gè)小島。1900年左右，一隊(duì)在此采集海綿的希臘潛水員意外發(fā)現(xiàn)一艘古代沉船，經(jīng)鑒定大約是公元前100年左右沉沒(méi)的。這里地處希臘與羅馬的海上貿(mào)易航路附近，在這里發(fā)現(xiàn)一艘不幸的沉船并不是特別意外。

但從船上打撈出來(lái)的眾多遺物中，包含幾個(gè)已經(jīng)嚴(yán)重銹蝕的銅質(zhì)碎片，像是某種特殊的機(jī)械結(jié)構(gòu)，這就有點(diǎn)神奇了。此前乃至此后，人們都從未見(jiàn)過(guò)這么復(fù)雜的古代機(jī)械設(shè)計(jì)作品。

在反復(fù)幾次搜查之后，人們一共找到了大大小小的82塊殘片。

T. Freeth et al. 2006

在最大的幾塊殘片上，人們發(fā)現(xiàn)大量的齒輪以及精心刻畫(huà)的溝槽，此外表面上還密密麻麻地刻著古代希臘文，像是這個(gè)機(jī)器的說(shuō)明書(shū)。對(duì)這些殘存銘文的解讀，顯示它的功能與天文有關(guān)。

Philip Chrysopoulos

在過(guò)去的一個(gè)世紀(jì)中，對(duì)殘片結(jié)構(gòu)的研究與復(fù)原逐步印證著人們的猜測(cè)。尤其是在2006年，考古學(xué)家使用X射線斷層掃描技術(shù)對(duì)殘片內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了完整的測(cè)繪，揭示出大量細(xì)節(jié)，為搞清它的結(jié)構(gòu)和功能打下了基礎(chǔ)。

對(duì)這些殘片的分析表明，它包含兩個(gè)大的組件。每一個(gè)上面都刻畫(huà)著一個(gè)標(biāo)記著刻度的螺旋線。

T. Freeth et al. 2006

而仔細(xì)數(shù)這些齒輪和刻度，幾個(gè)神奇的數(shù)字出現(xiàn)在考古學(xué)家的手中：223、235、365……熟悉歷法的人立刻可以看出，這些數(shù)字與太陽(yáng)、月球運(yùn)行的周期有著密切的關(guān)系。

為了理解這是什么意思，我們首先需要復(fù)習(xí)一下關(guān)于天文歷法的一些基本知識(shí)：

我們知道一年的長(zhǎng)度是大約365又四分之一天，這又被稱為“埃及歷”。。由于年的日數(shù)必須是整數(shù)以方便使用，一般取365天，但每4年就會(huì)多積攢出來(lái)一天，我們采用每4年一閏日的方法進(jìn)行調(diào)整。

而如果想把月球圓缺變化的周期，也即“朔望月”的長(zhǎng)度也考慮進(jìn)來(lái)，跟太陽(yáng)在天空中變化的周期配合，共同組成“陰陽(yáng)歷”，事情就要復(fù)雜一些。古人很早就發(fā)現(xiàn)，19個(gè)太陽(yáng)回歸年的長(zhǎng)度，差不多正好是235個(gè)朔望月的長(zhǎng)度，所以如果每年只設(shè)置12個(gè)月，19年下來(lái)會(huì)多出來(lái)235-12x19=7個(gè)月。因此陰陽(yáng)歷的解決方案就是把這7個(gè)月按照一定的約定插入到19年中，這就是所謂的閏月。這樣的19年我們叫做“默冬章”或者“默冬周期”。

如果我們認(rèn)為每年都有365.25天，那19年會(huì)一共有365.25x19=6939.75天。仍然考慮到歷法必須用整數(shù)，我們需要約定這樣一個(gè)19年的周期一共有6940天。這樣每19年會(huì)多出來(lái)1/4天，也即每76年就會(huì)多出來(lái)一天。76年這個(gè)周期，我們叫做“卡利匹克周期”；在每個(gè)周期中，我們需要減掉一天。

還有一個(gè)和日月食非常相關(guān)的周期，叫做沙羅周期。

我們知道由于月球軌道平面和地球公轉(zhuǎn)軌道平面并不重合，并不是每次新月時(shí)都會(huì)發(fā)生日食、每次滿月時(shí)都會(huì)發(fā)生月食。月亮?xí)?jīng)常從太陽(yáng)或地球本影的上方、下方滑過(guò)，而“錯(cuò)過(guò)”一場(chǎng)日月食。

月球在什么地方出現(xiàn)才可能發(fā)生日月食呢——在月球軌道平面（白道面）與地球公轉(zhuǎn)軌道面（黃道面）有條交線，這條交線在月球軌道上有兩個(gè)交點(diǎn)，只有月球在新月、滿月的時(shí)候恰好出現(xiàn)在交點(diǎn)上，才能發(fā)生日月食。

從地球上看過(guò)去，太陽(yáng)、月亮仿佛這樣運(yùn)動(dòng)

而當(dāng)日月食發(fā)生的時(shí)候，月球離地球有多遠(yuǎn)，決定了月球看起來(lái)有多大，進(jìn)而決定了這場(chǎng)日月食的時(shí)間長(zhǎng)度。

月球經(jīng)過(guò)同一個(gè)“交點(diǎn)”的周期叫做“交點(diǎn)月”，在軌道上經(jīng)過(guò)近地點(diǎn)的周期叫做“近點(diǎn)月”。由于月球軌道的進(jìn)動(dòng)，這兩個(gè)周期是不同的。

但巧就巧在，每223個(gè)朔望月、242個(gè)交點(diǎn)月、239個(gè)近點(diǎn)月，所需的時(shí)間幾乎是一樣的，大約是18年11又1/3天，這就是沙羅周期。

所以每一場(chǎng)日月食之前或者之后這么多天，在地球上都會(huì)發(fā)生一場(chǎng)極其相似的日月食。而沙羅周期的3倍，也即54年33天，則是同一個(gè)地點(diǎn)發(fā)生兩次非常相似日月食的周期。

有了這些背景知識(shí)，那兩個(gè)螺線的意思就顯而易見(jiàn)了：

T. Freeth et al. 2008

在安提基瑟拉機(jī)構(gòu)中找到這些相關(guān)數(shù)字，明確的意味著這個(gè)機(jī)器是用來(lái)推算歷法、計(jì)算日月食的。因此它可以稱作已知最早的月食計(jì)算器。

研究人員發(fā)現(xiàn)，安提基瑟拉機(jī)構(gòu)不僅可以計(jì)算月相、指導(dǎo)歷法、推算日月食，還能模擬整個(gè)太陽(yáng)系天體的運(yùn)動(dòng)，可謂功能十分強(qiáng)大了。

遺憾的是由于出土?xí)r它已經(jīng)嚴(yán)重銹蝕并且分裂為大量殘片，這個(gè)精巧的機(jī)構(gòu)中一部分子系統(tǒng)已經(jīng)散佚。這讓研究人員著實(shí)費(fèi)了一番腦筋，以下展示一些試圖重建整個(gè)機(jī)構(gòu)的原貌的研究成果：

例如 Edmund and Morgan 復(fù)原的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：

Edmund and Morgan

再如Evans等人復(fù)原的該機(jī)構(gòu)對(duì)太陽(yáng)系當(dāng)時(shí)所知5顆行星的模擬運(yùn)行系統(tǒng)：

Evans J, Carman CC, Thorndike AS 2010

希臘亞里士多德大學(xué) Kyriakos Efstathiou 教授所做、希臘國(guó)家博物館收藏的復(fù)原設(shè)計(jì)：

Efstathiou

我國(guó)臺(tái)灣成功大學(xué)的兩名研究人員林建良、顏洪森也對(duì)此進(jìn)行了研究。這是他們對(duì)月相演示子系統(tǒng)的復(fù)原：

在2016年出版的一本專著中，他們更系統(tǒng)性地窮舉了所有可能的48種設(shè)計(jì)方案，例如：

可以說(shuō)在現(xiàn)有信息的基礎(chǔ)上，這基本解決了安提基瑟拉機(jī)構(gòu)留給我們的疑團(tuán)。

我們以往印象中只會(huì)出現(xiàn)在近現(xiàn)代的精巧的機(jī)械設(shè)計(jì)，竟然在古希臘時(shí)代就已經(jīng)存在，這不得不讓我們思考，在人類歷史的大多數(shù)時(shí)期，發(fā)展并不總是線性向前的。偉大的文明可能毀于戰(zhàn)火，文明的奇跡并不總能得以幸存。不過(guò)科學(xué)家可以通過(guò)對(duì)比前后不同時(shí)期、不同文明的設(shè)計(jì)杰作，推測(cè)出當(dāng)時(shí)的工程設(shè)計(jì)思想，可以利用現(xiàn)代工程學(xué)知識(shí)窮舉可能的設(shè)計(jì)方案，從古人留下的殘磚碎瓦中，還原歷史的真相。

更多關(guān)于安提基瑟拉機(jī)構(gòu)的研究詳情，請(qǐng)參考下列文獻(xiàn)資料：

Lin & Hong 2016, Decoding the Mechanisms of Antikythera Astronomical Device

林建良、顏鴻森 2011，安提基瑟拉機(jī)構(gòu)之系統(tǒng)化復(fù)原設(shè)計(jì)研究成果報(bào)告

M. Edmunds, P. Morgan 2000, The Antikythera mechanism: still a Mystery of Greek astronomy.

T. Freeth et al. 2006, Decoding the ancient Greek astronomical calculator known as the Antikythera Mechanism

T. Freeth et al. 2008, Calendars with Olympiad display and eclipse prediction on the Antikythera Mechanism

Evans J, Carman CC, Thorndike AS 2010, Solar Anomaly and planetary displays in the

Antikythera Mechanism.

2,000 Year Old Computer - Decoding the Antikythera Mechanism - Full Documentary HD

（本文中標(biāo)明來(lái)源的圖片均已獲得授權(quán)）